Bioloogiat - või mitteametlikult elu ennast - iseloomustavad elegantsed makromolekulid, mis on sadade miljonite aastate jooksul arenenud paljude kriitiliste funktsioonide täitmiseks. Need liigitatakse sageli nelja põhitüüpi: süsivesikud (või polüsahhariidid), lipiidid, valgud ja nukleiinhapped. Kui teil on toitumisalane taust, siis tunnete esimesed kolm neist toiteväärtusega seotud teabe etikettidel loetletud kolme tavalise makrotoiteainena (või dieedipäraselt "makrod"). Neljas on seotud kahe tihedalt seotud molekuliga, mis on aluseks kogu elusolendi geneetilise teabe salvestamisele ja tõlkimisele.
Kõik need neli elu makromolekuli ehk biomolekulid täidavad erinevaid ülesandeid; nagu võite arvata, on nende erinevad rollid suurepäraselt seotud nende erinevate füüsiliste komponentide ja paigutustega.
Makromolekulid
A makromolekul on väga suur molekul, mis koosneb tavaliselt korduvatest subühikutest, mida nimetatakse monomeerid, mida ei saa taandada lihtsamateks koostisosadeks, ilma et ohverdaks elementi "ehitusplokk". Ehkki puudub standardne määratlus selle kohta, kui suur molekul peab olema, et teenida "makro" eesliide, on neil tavaliselt vähemalt tuhandeid aatomeid. Olete peaaegu kindlasti näinud sellist ehitust mitte-looduslikus maailmas; näiteks koosnevad mitut liiki tapeedid, mis on disainilt keerukad ja tervikuna füüsiliselt avarduvad, koosnevatest allüksustest, mille suurus on sageli väiksem kui ruutjalg. Veelgi ilmsem on, et ahelat võib pidada makromolekuliks, milles üksikud lülid on "monomeerid".
Bioloogiliste makromolekulide oluline punkt on see, et välja arvatud lipiidid monomeerühikud on polaarsed, see tähendab, et neil on elektrilaeng, mis pole jaotunud sümmeetriliselt. Skeemiliselt on neil erinevate füüsikaliste ja keemiliste omadustega "pead" ja "sabad". Kuna monomeerid ühendavad üksteist peast sabani, on ka makromolekulid ise polaarsed.
Samuti on kõigis biomolekulides suures koguses elementi süsinikku. Võib-olla olete kuulnud sellist elu Maal (teisisõnu, ainus liik, mida teame kindlalt, et kõikjal eksisteerib), millele viidatakse kui "süsinikupõhisele elule", ja seda põhjusega. Kuid lämmastik, hapnik, vesinik ja fosfor on hädavajalikud ka elusolenditele ning hulk muid elemente on segus vähemal määral.
Süsivesikud
On peaaegu kindel, et kui näete või kuulete sõna "süsivesikud", siis mõeldakse kõigepealt "toit" ja võib-olla täpsemalt: "midagi toidus on mõeldud paljudele inimestele "Lo-carb" ja "no-carb" said mõlemad kaalulangetamise moesõnadeks 21. sajandi alguses ja mõiste "carbo-loading" on kestvusspordi kogukonnas levinud juba alates 1970ndad. Kuid tegelikult on süsivesikud palju enamat kui lihtsalt elusolendite energiaallikas.
Süsivesikute molekulidel on kõigil valem (CH2O)n, kus n on kohal olevate süsinikuaatomite arv. See tähendab, et C: H: O suhe on 1: 2: 1. Näiteks lihtsatel suhkrutel on glükoos, fruktoos ja galaktoos valemil C6H12O6 (nende kolme molekuli aatomid on loomulikult paigutatud erinevalt).
Süsivesikud klassifitseeritakse monosahhariidideks, disahhariidideks ja polüsahhariidideks. Monosahhariid on süsivesikute monomeerühik, kuid mõned süsivesikud koosnevad ainult ühest monomeerist, näiteks glükoosist, fruktoosist ja galaktoosist. Tavaliselt on need monosahhariidid kõige stabiilsemad rõngasvormis, mida on skemaatiliselt kujutatud kuusnurgana.
Disahhariidid on suhkrud, millel on kaks monomeerset ühikut või monosahhariidide paar. Need alaühikud võivad olla samad (nagu maltoosis, mis koosneb kahest ühendatud glükoosimolekulist) või erinevad (nagu sahharoos või lauasuhkur, mis koosneb ühest glükoosimolekulist ja ühest fruktoosist) molekul. Monosahhariidide vahelisi sidemeid nimetatakse glükosiidsidemeteks.
Polüsahhariidid sisaldavad kolme või enamat monosahhariidi. Mida pikemad need ahelad on, seda suurem on tõenäosus, et neil on oksad, see tähendab, et nad ei ole lihtsalt otsast lõpuni monosahhariidide rida. Polüsahhariidide näited hõlmavad tärklist, glükogeeni, tselluloosi ja kitiini.
Tärklis kipub moodustuma heeliksi või spiraali kujul; see on tavaline suure molekulmassiga biomolekulides üldiselt. Tselluloos on seevastu lineaarne, koosnedes pika glükoosimonomeeride ahelast, kusjuures vesiniksidemed on korrapäraste ajavahemike järel süvendatud aatomite vahel. Tselluloos on taimerakkude komponent ja annab neile jäikuse. Inimesed ei suuda tselluloosi seedida ja toidus nimetatakse seda tavaliselt "kiudaineks". Kitiin on teine struktuuriline süsivesik, mida leidub lülijalgsete väliskehades nagu putukad, ämblikud ja krabid. Kitiin on modifitseeritud süsivesik, kuna see on "võltsitud" rohkete lämmastikuaatomitega. Glükogeen on keha süsivesikute säilitamise vorm; glükogeeni ladestusi leidub nii maksas kui ka lihaskoes. Tänu ensüümide kohandumisele nendes kudedes suudavad treenitud sportlased oma suure energiavajaduse ja toitumispraktika tõttu ladustada rohkem glükogeeni kui istuvad inimesed.
Valgud
Nagu süsivesikud, on ka valgud enamiku inimeste igapäevases sõnavaras, kuna neid kasutatakse nn makrotoitainetena. Kuid valgud on uskumatult mitmekülgsed, palju rohkem kui süsivesikud. Tegelikult ei oleks ilma valkudeta süsivesikuid ega lipiide, sest nende molekulide sünteesimiseks (aga ka seedimiseks) vajalikud ensüümid on ise valgud.
Valkude monomeerid on aminohapped. Nende hulka kuuluvad karboksüülhappe (-COOH) rühm ja amino (-NH2) Grupp. Kui aminohapped liituvad üksteisega, toimub see vesiniksideme kaudu ühe aminohappe karboksüülhappe rühma ja teise aminorühma vahel vesimolekuliga (H2O) protsessis vabanenud. Kasvav aminohapete ahel on polüpeptiid ja kui see on piisavalt pikk ja omandab oma kolmemõõtmelise kuju, on see täieõiguslik valk. Erinevalt süsivesikutest ei näita valgud kunagi harusid; need on lihtsalt aminorühmadega ühendatud karboksüülrühmade ahel. Kuna sellel ahelal peab olema algus ja lõpp, on ühel otsal vaba aminorühm ja seda nimetatakse N-otsaks, teisel aga vaba aminorühm ja seda nimetatakse C-otsaks. Kuna aminohappeid on 20 ja neid saab järjestada mis tahes järjekorras, on valkude koostis äärmiselt erinev, kuigi hargnemist ei toimu.
Valkudel on nn esmane, sekundaarne, tertsiaarne ja kvarterne struktuur. Esmane struktuur viitab aminohapete järjestusele valgus ja see on geneetiliselt määratud. Sekundaarne struktuur viitab ahela painutamisele või käändumisele, tavaliselt korduvalt. Mõned konformatsioonid hõlmavad alfa-heeliksi ja beeta-volditud lehte ning tulenevad erinevate aminohapete külgahelate nõrkadest vesiniksidemetest. Tertsiaarstruktuur on valgu keerdumine ja kõverdumine kolmemõõtmelises ruumis ning see võib hõlmata muu hulgas disulfiidsidemeid (väävel-väävel) ja vesiniksidemeid. Lõpuks, kvaternaarne struktuur viitab rohkem kui ühele polüpeptiidahelale samas makromolekulis. See toimub kollageenis, mis koosneb kolmest ahelast, mis on keerutatud ja keerdunud kokku nagu köis.
Valgud võivad olla ensüümid, mis katalüüsivad kehas biokeemilisi reaktsioone; hormoonidena, nagu insuliin ja kasvuhormoon; struktuurielementidena; ja rakumembraani komponentidena.
Lipiidid
Lipiidid on mitmekesine makromolekulide komplekt, kuid neil kõigil on ühine omadus olla hüdrofoobne; see tähendab, et nad ei lahustu vees. Seda seetõttu, et lipiidid on elektriliselt neutraalsed ja seetõttu mittepolaarsed, samas kui vesi on polaarne molekul. Lipiidide hulka kuuluvad triglütseriidid (rasvad ja õlid), fosfolipiidid, karotenoidid, steroidid ja vahad. Nad osalevad peamiselt rakumembraani moodustamises ja stabiilsuses, moodustavad hormoonide osi ning neid kasutatakse ladustatud kütusena. Rasvad, lipiidide tüüp, on kolmas makrotoitainete tüüp, süsivesikute ja valkudega on eelnevalt juttu olnud. Nn rasvhapete oksüdeerumise kaudu tarnivad nad 9 kalorit grammi kohta, vastandina 4 kalorile grammi kohta, mida pakuvad nii süsivesikud kui ka rasvad.
Lipiidid ei ole polümeerid, seega on neid mitmesugusel kujul. Nagu süsivesikud, koosnevad need ka süsinikust, vesinikust ja hapnikust. Triglütseriidid koosnevad kolmest rasvhappest, mis on ühendatud kolme süsinikuga alkoholi glütserooli molekuliga. Need rasvhapete kõrvalahelad on pikad lihtsad süsivesinikud. Nendel ahelatel võivad olla kaksiksidemed ja kui need on, siis see muudab rasvhappe küllastumata. Kui selliseid kaksiksidemeid on ainult üks, siis rasvhapet on monoküllastumata. Kui neid on kaks või rohkem, siis on polüküllastumata. Nendel erinevat tüüpi rasvhapetel on erinev mõju inimeste tervisele, kuna need avaldavad mõju veresoonte seintele. Küllastunud rasvad, millel pole kaksiksidet, on toatemperatuuril tahked ja tavaliselt loomsed. need kipuvad põhjustama arteriaalseid naaste ja võivad soodustada südamehaigusi. Rasvhappeid saab keemiliselt manipuleerida ja küllastumata rasvu, nagu taimeõlid, muuta küllastatuks, nii et need on tahked ja toatemperatuuril mugavad, nagu margariin.
Fosfolipiidid, mille ühes otsas on hüdrofoobne lipiid ja teises hüdrofiilne fosfaat, on rakumembraanide oluline komponent. Need membraanid koosnevad kahest fosfolipiidkihist. Kaks hüdrofoobset lipiidiosa on suunatud raku välisküljele ja sisemusele, samal ajal kui fosfaadi hüdrofiilsed sabad kohtuvad kahekihilise keskel.
Muude lipiidide hulka kuuluvad steroidid, mis toimivad hormoonidena ja hormoonide eelkäijatena (nt kolesterool) ja sisaldavad rida eristuvaid ringstruktuure; ja vahad, mis hõlmavad mesilasvaha ja lanoliini.
Nukleiinhapped
Nukleiinhapete hulka kuuluvad desoksüribonukleiinhape (DNA) ja ribonukleiinhape (RNA). Need on struktuurilt väga sarnased, kuna mõlemad on polümeerid, milles monomeersed üksused on nukleotiidid. Nukleotiidid koosnevad pentoosisuhkrurühmast, fosfaatrühmast ja lämmastikuga alusrühmast. Nii DNA-s kui ka RNA-s võivad need alused olla ühte neljast tüübist; vastasel juhul on kõik DNA nukleotiidid identsed, nagu ka RNA omad.
DNA ja RNA erinevad kolmel peamisel viisil. Üks on see, et DNA-s on pentoosisuhkur desoksüriboos ja RNA-s riboos. Need suhkrud erinevad täpselt ühe hapniku aatomi võrra. Teine erinevus on see, et DNA on tavaliselt kaheahelaline, moodustades Watsoni ja Cricki meeskonna poolt 1950ndatel avastatud topeltheliksi, kuid RNA on üheahelaline. Kolmas on see, et DNA sisaldab lämmastikuga aluseid adeniini (A), tsütosiini (C), guaniini (G) ja tümiini (T), kuid RNA-s on tümiiniga asendatud uratsiil (U).
DNA salvestab pärilikku teavet. Nukleotiidide pikkused moodustavad geenid, mis sisaldab teavet lämmastikaluseliste järjestuste kaudu spetsiifiliste valkude tootmiseks. Palju geene moodustavad kromosoomid, ja organismi kromosoomide summa (inimestel on 23 paari) on tema genoom. DNA-d kasutatakse transkriptsiooniprotsessis RNA-vormi, mida nimetatakse messenger RNA-ks (mRNA), saamiseks. See salvestab kodeeritud teabe veidi erineval viisil ja viib selle rakutuumast välja, kus on DNA, ning raku tsütoplasmasse ehk maatriksisse. Siinkohal algatavad teist tüüpi RNA translatsiooniprotsessi, mille käigus valke valmistatakse ja saadetakse kogu rakku.